Круговорот воды в природе

Введение

Непрерывное движение воды на поверхности, над и под поверхностью Земли.

Водный цикл (или гидрологический цикл) – биогеохимический цикл, включающий в себя непрерывное движение воды на поверхности, над и под поверхностью Земли. Общая масса воды на Земле остаётся относительно постоянной с течением времени. Однако распределение воды между основными резервуарами – льдом, пресной водой, солёной водой и атмосферной водой – изменчиво и зависит от климатических факторов. Вода перемещается из одного резервуара в другой, например, из реки в океан или из океана в атмосферу. Процессы, обуславливающие эти перемещения, включают испарение, транспирацию, конденсацию, осадки, сублимацию, инфильтрацию, поверхностный сток и подземный поток. В процессе этого вода переходит в различные состояния: жидкое, твёрдое (лёд) и газообразное (пар). Океан играет ключевую роль в водном цикле, являясь источником 86% глобального испарения. Водный цикл связан с обменом энергией, что приводит к изменениям температуры. При испарении вода поглощает энергию из окружающей среды, охлаждая её, а при конденсации – высвобождает энергию, нагревая её. Эти теплообмены оказывают влияние на климатическую систему. Фаза испарения очищает воду, поскольку соли и другие твёрдые вещества, накопленные в процессе цикла, остаются позади. Фаза конденсации в атмосфере восполняет запасы пресной воды на суше. Поток жидкой воды и льда переносит минералы по всей планете. Он также формирует геологические особенности Земли посредством процессов, таких как эрозия и седиментация. Водный цикл также необходим для поддержания жизни и большинства экосистем на планете. Деятельность человека оказывает значительное влияние на водный цикл. Такие виды деятельности, как вырубка лесов, урбанизация и добыча подземных вод, изменяют природные ландшафты (изменение землепользования), что оказывает воздействие на водный цикл.

Общий процесс

Водный цикл запускается энергией, испускаемой солнцем. Эта энергия нагревает воду в океане и морях. Вода испаряется в виде водяного пара в воздухе. Некоторые льды и снег сублимируют непосредственно в водяной пар. Эвапотранспирация – это вода, выделяемая растениями и испаряемая с поверхности почвы. Молекула воды H2O имеет меньшую молекулярную массу, чем основные компоненты атмосферы, азот и кислород, и поэтому менее плотная. Из-за значительной разницы в плотности, плавучесть поднимает влажный воздух выше. С увеличением высоты давление воздуха снижается, а температура падает (см. Законы газов). Низкая температура приводит к конденсации водяного пара в крошечные капли жидкой воды, которые тяжелее воздуха и выпадают, если их не поддерживает восходящий поток. Огромная концентрация этих капель на большой площади в атмосфере становится видимой как облако, а конденсация вблизи уровня земли называется туманом. Атмосферная циркуляция перемещает водяной пар по всему земному шару; частицы облаков сталкиваются, растут и выпадают из верхних слоев атмосферы в виде осадков. Некоторые осадки выпадают в виде снега, града или мокрого снега и могут накапливаться в ледяных шапках и ледниках, которые могут хранить замороженную воду в течение тысяч лет. Большая часть воды падает в виде дождя обратно в океан или на сушу, где вода течет по земле в виде поверхностного стока. Часть этого стока попадает в реки, а ручьи движут воду к океанам. Сток и вода, выходящая из-под земли (подземные воды), могут храниться в озерах в виде пресной воды. Не весь сток впадает в реки; большая его часть просачивается в землю. Часть воды проникает глубоко в землю и пополняет водоносные горизонты, которые могут хранить пресную воду в течение длительного времени. Некоторые инфильтрационные воды остаются близко к поверхности суши и могут просачиваться обратно в поверхностные водоемы (и океан) в виде грунтового стока или поглощаться растениями и возвращаться в атмосферу в виде водяного пара посредством транспирации. Некоторые грунтовые воды находят выходы на поверхность суши и появляются в виде пресноводных источников. В речных долинах и поймах часто происходит непрерывный обмен водой между поверхностными и подземными водами в гипорейной зоне. Со временем вода возвращается в океан, чтобы продолжить водный цикл. Океан играет ключевую роль в водном цикле. Океан содержит "97% от общего количества воды на планете; 78% глобальных осадков выпадают над океаном, и он является источником 86% глобального испарения". Без адвекции вода, испаряющаяся над океанами, не могла бы выпадать в виде осадков на суше. Атмосферные реки, перемещающие большие объемы водяного пара на большие расстояния, являются примером адвекции. Конденсация: превращение водяного пара в жидкие капли воды в воздухе, образующие облака и туман. Испарение: превращение воды из жидкого в газообразное состояние при ее перемещении с земли или водоемов в атмосферу. Источником энергии для испарения является в основном солнечное излучение. Испарение часто подразумевает транспирацию от растений, хотя вместе они специально называются эвапотранспирацией. Общая годовая эвапотранспирация составляет приблизительно воды, из которой испаряется из океанов. Однако недавнее глобальное исследование с использованием стабильных изотопов воды показало, что не вся почвенная влага одинаково доступна для пополнения запасов подземных вод или для транспирации растений. Инфильтрация: Вода течет вертикально через почву и горные породы под действием силы тяжести. Осадки: конденсированный водяной пар, выпадающий на поверхность Земли. Большая часть осадков выпадает в виде дождя, но также включает снег, град, туманную изморось, ледяную крупу и мокрый снег. Ежегодно выпадает примерно воды в виде осадков, из которых – над океанами. 78% глобальных осадков выпадают над океаном. Сток: различные способы перемещения воды по суше. Это включает в себя как поверхностный сток, так и сток по руслам. По мере течения вода может просачиваться в землю, испаряться в воздух, накапливаться в озерах или водохранилищах или извлекаться для сельскохозяйственных или других нужд. Подземный сток: течение воды под землей, в зоне вадозы и водоносных горизонтах. Подземные воды могут возвращаться на поверхность (например, в виде источника или путем откачки) или в конечном итоге просачиваться в океаны. Вода возвращается на поверхность земли на более низкой высоте, чем место ее инфильтрации, под действием силы тяжести или вызванного ею давления. Подземные воды, как правило, движутся медленно и медленно пополняются, поэтому они могут оставаться в водоносных горизонтах в течение тысяч лет. Транспирация: выделение водяного пара растениями и почвой в воздух.

The water cycle is powered from the energy emitted by the sun. This energy heats water in the ocean and seas. Water evaporates as water vapor into the air. Some ice and snow sublimates directly into water vapor. Evapotranspiration is water transpired from plants and evaporated from the soil. The water molecule H2O has smaller molecular mass than the major components of the atmosphere, nitrogen and oxygen and hence is less dense. Due to the significant difference in density, buoyancy drives humid air higher. As altitude increases, air pressure decreases and the temperature drops (see Gas laws). The lower temperature causes water vapor to condense into tiny liquid water droplets which are heavier than the air, and which fall unless supported by an updraft. A huge concentration of these droplets over a large area in the atmosphere becomes visible as cloud, while condensation near ground level is referred to as fog. Atmospheric circulation moves water vapor around the globe; cloud particles collide, grow, and fall out of the upper atmospheric layers as precipitation. Some precipitation falls as snow, hail, or sleet, and can accumulate in ice caps and glaciers, which can store frozen water for thousands of years. Most water falls as rain back into the ocean or onto land, where the water flows over the ground as surface runoff. A portion of this runoff enters rivers, with streamflow moving water towards the oceans. Runoff and water emerging from the ground (groundwater) may be stored as freshwater in lakes. Not all runoff flows into rivers; much of it soaks into the ground as infiltration. Some water infiltrates deep into the ground and replenishes aquifers, which can store freshwater for long periods of time. Some infiltration stays close to the land surface and can seep back into surface water bodies (and the ocean) as groundwater discharge or be taken up by plants and transferred back to the atmosphere as water vapor by transpiration. Some groundwater finds openings in the land surface and emerges as freshwater springs. In river valleys and floodplains, there is often continuous water exchange between surface water and ground water in the hyporheic zone. Over time, the water returns to the ocean, to continue the water cycle. The ocean plays a key role in the water cycle. The ocean holds "97% of the total water on the planet; 78% of global precipitation occurs over the ocean, and it is the source of 86% of global evaporation". Without advection, water that evaporated over the oceans could not precipitate over land. Atmospheric rivers that move large volumes of water vapor over long distances are an example of advection. Condensation: The transformation of water vapor to liquid water droplets in the air, creating clouds and fog. Evaporation: The transformation of water from liquid to gas phases as it moves from the ground or bodies of water into the overlying atmosphere. The source of energy for evaporation is primarily solar radiation. Evaporation often implicitly includes transpiration from plants, though together they are specifically referred to as evapotranspiration. Total annual evapotranspiration amounts to approximately of water, of which evaporates from the oceans. A recent global study using water stable isotopes, however, shows that not all soil moisture is equally available for groundwater recharge or for plant transpiration. Percolation: Water flows vertically through the soil and rocks under the influence of gravity. Precipitation: Condensed water vapor that falls to the Earth's surface. Most precipitation occurs as rain, but also includes snow, hail, fog drip, graupel, and sleet. Approximately of water falls as precipitation each year, of it over the oceans. 78% of global precipitation occurs over the ocean. Runoff: The variety of ways by which water moves across the land. This includes both surface runoff and channel runoff. As it flows, the water may seep into the ground, evaporate into the air, become stored in lakes or reservoirs, or be extracted for agricultural or other human uses. Subsurface flow: The flow of water underground, in the vadose zone and aquifers. Subsurface water may return to the surface (e. g. as a spring or by being pumped) or eventually seep into the oceans. Water returns to the land surface at lower elevation than where it infiltrated, under the force of gravity or gravity induced pressures. Groundwater tends to move slowly and is replenished slowly, so it can remain in aquifers for thousands of years. Transpiration: The release of water vapor from plants and soil into the air.

Вода в хранилище

Водный цикл описывает процессы, которые обеспечивают движение воды по всей гидросфере. Однако, гораздо больший объем воды находится в "хранилищах" (или "резервуарах") длительное время, чем фактически движется в цикле. Океаны являются хранилищем для подавляющего большинства воды на Земле. По оценкам, из 1 386 000 000 км³ мировых запасов воды около 1 338 000 000 км³ хранится в океанах, что составляет примерно 97%. Также оценивается, что океаны поставляют около 90% испаряющейся воды, поступающей в водный цикл. Ледяные щиты Земли, ледники и постоянный снежный покров содержат еще 24 064 000 км³, что составляет всего 1,7% от общего объема воды на планете. Однако, этот объем воды составляет 68,7% от всей пресной воды на планете.

Местное или региональное воздействие

Человеческая деятельность может изменять водный цикл на локальном или региональном уровне. Это происходит из-за изменений в землепользовании и земном покрове. Такие изменения влияют на "осадки, испарение, наводнения, грунтовые воды и доступность пресной воды для различных нужд". Примерами таких изменений в землепользовании являются преобразование сельскохозяйственных угодий в городские территории или вырубка лесов. Такие изменения могут повлиять на способность почв поглощать поверхностные воды. Обезлесение оказывает влияние как на локальном, так и на региональном уровне. Например, оно снижает влажность почвы, испарение и количество осадков на локальном уровне. Кроме того, вырубка лесов вызывает региональные изменения температуры, которые могут повлиять на режим осадков. В Шестом оценочном докладе МГЭИК 2021 года прогнозируется, что эти изменения будут продолжать значительно усиливаться на глобальном и региональном уровнях. Поверхностный сток отвечает за почти всю транспортировку размытых отложений и фосфора с суши в водоемы. Соленость океанов обусловлена эрозией и переносом растворенных солей с суши. Культурная эвтрофикация озер в основном вызвана избыточным внесением фосфора в сельскохозяйственные поля в виде удобрений, который затем переносится по поверхности суши и вниз по рекам. Как поверхностный сток, так и грунтовый поток играют важную роль в транспортировке азота с суши в водоемы. Мертвая зона в устье реки Миссисипи является следствием переноса нитратов из удобрений с сельскохозяйственных полей и их поступления по речной системе в Мексиканский залив. Поверхностный сток также участвует в углеродном цикле, опять же, посредством переноса размываемых пород и почвы.

Медленная потеря в течение геологического времени

Гидродинамический ветер в верхней части атмосферы планеты позволяет легким химическим элементам, таким как водород, подниматься до экзобазы – нижней границы экзосферы, где газы могут достигать первой космической скорости и уходить в космическое пространство, не сталкиваясь с другими частицами газа. Этот тип потери газа планетой в космос известен как планетарный ветер. Планеты с горячей нижней атмосферой могут формировать влажную верхнюю атмосферу, что ускоряет потерю водорода.

Плавучая земля

В древние времена широко распространено было мнение, что суша плавает на водной поверхности, и что большая часть воды в реках имеет подземное происхождение. Примеры этой веры можно найти в трудах Гомера (ок. 800 г. до н.э.).

Библия на иврите

На древнем Ближнем Востоке еврейские ученые заметили, что, хотя реки впадают в море, оно никогда не наполняется. Некоторые ученые приходят к выводу, что во время этого периода водный цикл был полностью описан в следующем отрывке: "Ветер идет к югу, и поворачивает к северу; он кружит постоянно, и ветер возвращается по своим кругам. Все реки текут в море, но море не наполняется; к тому месту, откуда реки вытекают, туда они и возвращаются" (Екклесиаст 1:6-7). Ученые расходятся во мнениях относительно даты написания книги Екклесиаст, хотя большинство указывает на период правления царя Соломона, сына Давида и Вирсавии, "три тысячи лет назад".

В библейской книге Иова, датированной периодом между VII и II веками до н.э., содержится описание осадков в гидрологическом цикле, а также у Ксенофана Колофонского (530 г. до н.э.). У китайских ученых периода Сражающихся царств, таких как Чи Ни Цзы (320 г. до н.э.) и Лу Ши Чхун Чх'ю (239 г. до н.э.), были схожие мысли. Идея о том, что водный цикл является замкнутым, встречается в трудах Анаксагора из Клазомен (460 г. до н.э.) и Диогена из Аполлонии (460 г. до н.э.). И Платон (390 г. до н.э.) и Аристотель (350 г. до н.э.) размышляли о фильтрации как части водного цикла. Аристотель верно предположил, что солнце играет роль в гидравлическом цикле Земли, и в своей книге "Метеорология" писал: "Благодаря ему [солнцу] самая чистая и сладкая вода ежедневно поднимается вверх, превращается в пар и восходит в верхние области, где она конденсируется от холода и таким образом возвращается на землю", и полагал, что облака состоят из охлажденного и сконденсированного водяного пара. Подобно Аристотелю, восточноханьский ученый Ван Чонг (27–100 г. н.э.) точно описал водный цикл Земли в своем труде "Луньхэн", но был отвергнут своими современниками. Вплоть до эпохи Возрождения ошибочно считалось, что одних лишь осадков недостаточно для питания рек и обеспечения полноценного водного цикла, и что основными источниками речной воды являются подземные воды, поднимающиеся из океанов. Бартоломей Английский придерживался этой точки зрения (1240 г. н.э.), как и Леонардо да Винчи (1500 г. н.э.) и Афанасий Кирхер (1644 г. н.э.).

Открытие правильной теории

Первым опубликованным мыслителем, заявившим, что одних лишь дождей достаточно для поддержания рек, был Бернард Палисси (1580 г. н.э.), которому часто приписывают открытие современной теории круговорота воды в природе. Теории Палисси не подверглись научному тестированию до 1674 года, в исследовании, которое обычно связывают с именем Пьера Перро. Тем не менее, эти представления не получили признания в научном сообществе до начала XIX века.